微波萃取技术在天然食用色素提取上的应用

《中国食品添加剂》 2003 NO．4 微波萃取技术在天然食用色素提取上的应用 李巧玲 (河北科技大学生物科学与工程学院，石家庄 050018) 摘要：徽波辆射提取技术与传统加热提取技术相比，具有提取时间短、温度低、耗能低、品质高等优良特性。采 用该技术提取 然食用色素的实际结果明，微波提取技术是一种有良好发展前途的新工艺，有利于工业化生产。 关键词：微波辐射提取，天然食用色素 Application of Microwave Extraction Technique in Natural Food Pigment Li Qiaoling (College of Biology Science& Engineering，Hebei U niversity of Science& Technology，Shijiazhuang 0500 1 8，China) Abst喇 ：The special feature of microwave extraction technique over traditional heat extraction is short time，low tem- perature，low energy consumption and high product quality。Good experimental results of extracting natural food pig‘ ment by microwave extrac tion technique show that it is a good new technique and could be applied in industry． 1‘ey words：Microwave Extraction，Natural Food Pigment 1 前言 食用色素足食品的重要成份，近年来随着医学 毒理学和生物学试验研究工作的不断深入，许多在 食品工业中大量使用的合成色素被认为对人体有 害，有的甚至致癌 ，因而世界各国开始禁用一些合 成色素 ，而重新代之以各种安全无毒、资源丰富．而 且具有一定营养或药理作用的天然食用色素。天 然食用色素包括来 自动物、植物、微生物及矿物的 元素。由于矿物色素大都对人体有害，现已不再用 于食品着色，动物及微生物色素应用很少，所以食 用天然色素实际上主要是植物色素。 天然食用色素制备大致可分为溶剂提取 法、组织培养法、粉碎法、压榨法、酶反应法、微生物 发酵法和人工化学合成天然色素法等。其中最常 用的方法是溶剂提取法(即浸取法)，但传统的浸取 方法存在着浸取时间长、劳动强度大、原料预处理 能耗大、热敏性组分易破坏等缺点。微波作为近年 来发展的一门新技术，它具有选择性作用、加热速 度快、控制方便、受热体系温度均匀、节约能量等优 点l_1j。把微波用在浸取方面，发现它能强化浸取 过程，降低生产时间、能源、溶剂的消耗以及废物的 产生，同时可以提高产率和提取物的纯度，既降低 了操作费用，又合乎环境保护的要求，是一种有良 好发展前途的新工艺。 2 微波萃取的原理 微波是一种频率在 300MHz至 300GHz之间 的电磁波，它具有波动性、高频性、热特性和非热特 性四大基本特性。微波的热效应是基于物质的介 电性质和物质的内部不同电荷极化不具备跟上交 变电场的能力来实现的。微波的频率与分子转动 的频率相关联，所以微波能是一种由离子迁移和偶 基金项目：国家自然科学基金资助项 目(29876013)；河北科技大学博士基金资助项 目(110306) 105 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2o03 No．4 极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它 作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若 此时具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生 瞬时极化，当频率为 2450btHz时，分子就以24．5 亿次／s的速度做极性变换运动，从而产生键的振 动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活 性部分(极性部分)更好地接触和反应，同时迅速生 成大量的热能，引起温度升高lL2J。微波的这种热 效应使微波在穿透到介质的内部(其深入距离与微 波波长同数量级)的同时，将微波能量转换成热能 对介质加热，形成独特的介质受热方式一介质整体 被加热，即所谓无温度梯度加热。 由于微波对含极性分子的物质进行作用时，不 需传热介质，不需经热传导或热对流就可以使这些 物质整体产生热效应而使温度迅速升高，根据爱因 斯坦扩散系数方程，扩散系数的大小与温度成正 比，温度升高，扩散系数增大，这样，如果将微波应 用于从固体中浸取有效成分，微波的高加热效率对 溶质从固体中扩散入溶剂中，应该是十分有利的。 此外，在固液浸取过程中，固体表面的液膜常常是 由强极性分子溶剂所构成，而在微波辐射下，强极 性溶剂分子会快速摆动以跟上交变电场的变化，这 就可能对液膜层产生一定的微观“扰动”影响，使附 在固相周围的液膜变薄，而且可能使溶剂与溶质之 间的结合力，如氢键等受到一定程度的削弱，从而 使固液浸取的扩散过程所受到的阻力减小，促进扩 散过程的进行L3j3。 3 微波萃取的特点及与传统热萃取的区别 传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向 里进行，而微波萃取是通过偶极子旋转和离子传导 两种方式里外同时加热。 和传统热萃取相比，微波萃取具有以下特点： a．质量高，可有效地保护食品中的功能成分； b．回收率高；c．对萃取物具有高选择性；d．省时 (30s～10rain)；e．溶剂用量少(可较常规方法少 50％～90％)；f．低耗能；g．加热速度快、易于控温。 4 微波在提取天然食用色素方面的应用 表 1为萃取番茄红素时，微波萃取与传统加热 提取的比较[引。 1O6 表 1 微波萃取番茄红素与传统加热萃取的比较 *6 溶剂油的主要成分为环己烷等。 表 l的对比结果表明：在微波功率 200W条件 下，料液比为 1：2时，浸提 8O 8，经过二次浸提，番 茄红素的提取率达到97．56％，故二次浸提便能得 到十分满意的结果。而传统加热提取与此相比，不 仅浸提时间长，溶剂用量多，而且产率低。由此可 见微波辐射法既可以大大加快浸提速度，缩短浸提 时间，又可以减少溶剂的消耗量和后处理负荷量， 同时也降低了能耗。 表2为萃取柚皮色素时，微波萃取与传统加热 提取的比较L5．6J。 表 2 微波萃取柚皮色素与传统加热萃取的比较 表2的数据表明，利用微波浸取可以使固液浸 取过程得到明显的强化，它的浸取效率要比传统方 法的浸取效率高得多。当采用微波技术强化浸取 柚皮一水体系时，仅需 4rain便可以使整个浸取过 程达到平衡，其 OD值为 0．632；而传统方法则需 要 120rain左右才能达到浸取柚皮色素的最大量 (其 OD值为0．570)，几乎为微波浸取时间的三十 倍l5j5。并且利用微波浸取柚皮中的天然色素成分 要比传统加热浸取方法所消耗的能量要小得多，即 利用微波强化固液浸取过程不仅可以大大缩短浸 取时间，而且还能大大节约能量，这在能源 日益紧 张的今天是非常具有实际意义的。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 20o3 NO．4 另外 ，值得注意的是，用传统的加热回流提取 柚皮色素，提取液存放 10天左右，就有发霉、变质 现象，原因可能是由于以极性大的水作溶剂，提取 时间过长，易把蛋白质、糖类、无机盐等易溶于水的 成分提取出来。而采用微波方法提取柚皮色素保 存时间较长(一般可以保质 1个月左右)。为此笔 者对微波浸取柚皮色素的机理进行了较深入的探 讨。发现，用微波浸取时，微波量子能量虽然不能 破坏生物体内的共价键，但对氢键、范德化力、疏水 相互作用、盐键等赖以维持生物大分子高级结构的 次级键具有一定的破坏或削弱作用L7 J。这些次级 键是维持生物大分子空间构象、生物膜结构的作用 力。由于某些次级键的破坏 ，细胞壁的某一部分会 变薄，其阻碍固液浸取作用的势垒被削弱，在电磁 场能量的作用下，细胞壁表面会随机形成“微孔”， 使离子很容易穿过细胞壁 ，导致细胞膨胀，细胞壁 进一步变薄，从而引起微孔迅速变大。由于细胞内 外渗透压的不同，造成细胞质外喷，形成电穿孔。 由于这些“微孔”的存在和微波的选择性加热，加速 了细胞内一些物质的渗出，提高了浸取时有效组分 的质量[5l。 5 结论与展望 微波萃取天然食用色素技术在实验工作中虽 然已取得一些重要的成果 ，但由于它的特性所限， 其应用范围受到了一定的限制，现在只停留在小试 的水平，还有许多工作要做。如果利用微波的促进 传质作用，来克服传统浸取中存在的传质障碍，则 可大大提高生产率。目前此项工作正受到许多科 研工作者的青睐。在理论研究中，虽然已提出多种 理论模型，但对其机理的探讨并不深入，很难根据 它来设计实验和预言事件。但 已有的研究成果已 足以显示其种种优越性。因此 ，开展微波辐射技术 在天然食用色素提取上的应用研究具有广阔的前 景。 参考文献 1．高福成主编．现代食品工程高新技术．北京：中国轻工业出 版社，1997，129 2．段胜林，张耀林 ，徐 京等 ．微波萃取技术在食品工业上的应 用 ．食品工业科技，1999，(增刊)：73～75 3．李巧玲 ，李琳，蔡妙颜等．微波辐射在 固液浸取中的应用． 现代化工，2000，20(8)：60—61 4．邓宇，张卫强 ．番茄红素提取方法的研究．现代化工，2002， 22(2)：25—28 5．李巧玲．微波辐射下柚皮中天然食用色素的浸取．华南理 工大学博士学位论文，2001，58—108 6．李巧玲，陈学武 ，李琳．微波强化浸取天然色素的研究．食 品科学，2002，23(2)：49—52 7．王保义，王长广．电磁场非热生物效应机理研究 ．电子科技 导报，1997，(2)：5 7，2O (上接 76页) 天敌有保护作用，保顶和棉铃率高，对杀不死的棉 铃虫有滞育作用，对棉蚜虫有抑制作用。相信在以 后的研究发展中，竹红菌素有更广阔的前景。 4．3 竹红菌素在食品中的应用 竹红菌素，无味、色泽鲜红、着色力强、且富有 保健功能，可溶于酒精和其他有机溶剂，所以它作 为一种脂溶性食品添加剂(食用色素)，具有独特的 优点和广阔的应用前景。竹红菌素是一种新型的 天然芘醌类色素，具有独特的生物活性，对于细菌 和真菌具有光动力学活性 ，能够抑制它们 的生长， 可以作为防腐剂用于食品中。 参考文献 1．沈云修等．竹黄的化学成分研究．中国中药杂志，2002，27 (9)，674—676 2．周薇，李聪 ．茈醌化合物的光敏性及其抗肿瘤机制 ．生命的 化学，2001，21(3)，246～247 3．王景祥．竹黄的研究概况 ．中草药，1999，30(6)，478—479 4．邓丹 ，张灏等．竹黄的研究进展及应用 ．食品科技 ，2001，5， 36～37 5．容俊．co2激光加敷竹红菌素软膏治疗 45例外阴白色病 变．云南医药，1999，20(4)，300 6．陈滨等．竹红菌素作为激发态氧分子的光敏剂的研究．感光 科学与光化学，1998，16(2)，105—110 7．付滨等．天然茈醌合成的初步研究．北京大学学报，2000，36 (2)，167—171 8．张灏，邓丹等 ．液体发酵竹红菌素提取工艺的研究。食品科 技 ，2002，7，42—43 9．钟树荣等．一种尚开发的中药 ．竹黄．中草药，2002，33(4)， 372—374 1O．林海萍等 ．一种值得开发利用的药用真菌．竹黄．浙江林业 科技，2002，22(1)，77—8O l1．周世文，陈军．竹红菌素类光敏剂的生物学作用 ．激光杂 志，2001，22(3)，58—60 107 维普资讯 http://www.cqvip.com